автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Основы адаптации мобильных сельскохозяйственных агрегатов к условиям работы

Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина

На правах рукописи

Лачуга Юрий Федорович

Основы адаптации мобильных сельскохозяйственных агрегатов к условиям работы

Специальность 05.20.01 "Технологии и средства механизации сельского хозяйства"

-Диесерзди&ву|ШШОГчного доклада на .-,4--соискание

1резич

'У4 ' ю степень Д Г

С* £

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, академик РАСХН Краснощекой Н. В. доктор технических наук, профессор, академик РАСХН Долгов И. А. доктор технических наук, профессор, академик РАСХН Кряжков В. М.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт сельскохозяйственного машиностроения ОАО «ВИСХ^1/Гл . - ,

Защита состоится

в часов на заседании диссертадиов

при Всероссийском ордена Трудового Кр; вательском институте механизации селы 109428, Москва, 1 -й Институтский проег:

С диссертацией в виде научного доклада ш института (ВИМ)

Диссертация в виде научного доклада разе'- \ . _/-/¡¿г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

профессор .Ларченко Н. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Мобильные сельскохозяйственные агрегаты (МСХА) выполняют основной обьем работ по возделыванию сельскохозяйственных культур, уборке урожая и закладке его на хранение. При этом имеют место сложное сочетание принципов их работы, многообразие разновидностей и типоразмеров агрегатов, а также природно-производственных условий их функционирования.

Производительность МСХА, расход используемых ресурсов и другие технико-экономические показатели в значительной степени зависят от адап-тированности систем их параметров и режимов работы к изменяющимся в широком диапазоне природно-производственным условиям каждой почвен-но-климатической зоны, отдельного хозяйства и даже поля. Разнообразие технологий возделывания сельскохозяйственных культур, систем машин и форм хозяйственной деятельности в сельскохозяйственном производстве требуют комплексного учета действующих внешних факторов, к которым должна адаптироваться вся сельскохозяйственная техника.

Обобщение ранее проведенных исследований и опыта проектирования мобильных сельскохозяйственных агрегатов позволяет формулировать научную проблему как установление закономерностей функционирования и адаптации МСХА к условиям работы и на их основе создание техники нового поколения, обеспечивающей повышение производительности, ресурсосбережение и сокращение потребности в трудовых ресурсах.

Составной частью указанной общей научной проблемы является разработка обобщенных теоретических принципов оптимальной адаптации МСХА к условиям работы.

Цель работы: разработка методов адаптации МСХА к изменяющимся условиям работы для повышения их производительности, качества работы, показателей ресурсосбережения.

Объекты исследования: природно-производственные условия, мобильные сельскохозяйственные агрегаты и их составные элементы, параметры и режимы работы.

Методы исследования: при проведений теоретических и экспериментальных исследований применялись принципы системного подхода, методы математического анализа и моделирования, теория вероятностей и вариационного исчисления, основные законы механики систем и др.

Научную новизну работы составляют:

- новые принципы адаптации параметров и режимов функционирования 'ХЛ к условиям работы на стадиях проектирования и использования, ..■■сличающиеся многокритериальным системным подходом;

- общие закономерности функционирования и оптимизации типоразмеров энергетических средств и рабочих машин МСХА к природно-произ-юдственным условиям их использования, основанные на применении обобщенных параметров;

- аналитические зависимости для проектирования технологических модулей МСХА с запаздывающими обратными связями, основанные на кинематических и динамических моделях;

- математическая модель оптимизации форм почвообрабатывающих рабочих органов МСХА на основе методов вариационного исчисления, позволяющая минимизировать их тяговое сопротивление;

- аналитические зависимости для интенсификации процесса выделения зерна из колосьев за счет изменения режимов подачи и дифференцированного обмолота хлебной массы.

Научные положения, выносимые на защиту:

- адаптация МСХА как единого целого к ириродно-производствен-ным условиям по мощности или пропускной способности рабочих органов, обеспечивающих минимум приведенных затрат;

- адаптация энергетического модуля МСХА к условиям рабочего хода на основе оптимизации его массы и тягового усилия, обеспечивающих допустимое буксование движителей;

- адаптация технологического модуля МСХА к условиям рабочего хода на базе минимизации удельных энергозатрат или удельного расхода топлива на единицу обработанной площади;

- проектирование технологических модулей МСХА с запаздывающими обратными связями методами кинематического и динамического моделирования;

- минимизация тягового сопротивления рабочих органов сельскохозяйственных машин путем оптимизации их геометрических форм методами вариационного исчисления;

- интенсификация процесса выделения зерна из колосьев за счет изменения режима подачи и применения дифференцированного обмолота хлебной массы с использованием предложенных аналитических зависимостей.

Практическая ценность. Получены закономерности для выбора оптимальных типоразмеров энергетических средств и рабочих машин МСХА, обеспечивающих повышение их производительности, качества работы и снижение расхода используемых ресурсов, в том числе и трудовых.

Использование результатов исследования позволит сократить число типоразмеров агрегатов и расход соответствующих ресурсов как на стадии разработки, так и при эксплуатации машин.

Материалы исследований использованы конструкторскими бюро завода "Ростсельмаш" и Красноярского комбайнового завода при разработке и совершенствовании молотильно-сепарирующих систем зерноуборочных комбайнов, а также научно-исследовательскими организациями при создании высокопроизводительных сельскохозяйственных машин нового поколения.

Результаты исследования используются в учебниках и учебных пособиях в высших учебных заведениях, включая учебник по теоретической механике [2, 4], учебные пособия [3,5, 7, 10, 12, 17 и др.]. Указанные учебные пособия применяются в учебном процессе институтов переподго-

товки и повышения квалификации инженерных кадров агропромышленного комплекса.

Апробация. Основные результаты исследования докладывались и одобрены:

на научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГАУ им. В.П. Горячкина и других высших учебных заведениях в периоде 1971...2000 гг.;

на международных научных конференциях в Университете аграрных наук в г. Геделле (ВНР) в 1979, 1985 гг.; на Международной конференции по агрофизике (ВНР), 1988 г.; на Международной конференции в Высшей земледельческой школе ЧССР, Прага, 1985 г.;

на международных конференциях в ГДР, г. Росток, 1987, 1989 гг.; на Международной конференции в СФРЮ, Белград, 1978 г.; на Международной конференции в Университете Хоенхайм, ФРГ, 1993 г.;

на международных конференциях в США, 1987, 1998 гг.;

на ряде других местных и международных конференций по вопросам

аграрного образования и подготовки кадров.

Публикации. Основные результаты исследований по данной теме опубликованы в 50 работах автора, список которых прилагается к докладу, ,, включая: монографии - 2; учебники - 2; учебные пособия -11; авторские свидетельства - 4; а также научные статьи в центральных отечественных и зарубежных изданиях. Общий объем опубликованных лично автором, работ по теме диссертации составляет 55 печатных листов, в том числе в -зарубежных изданиях 4 печатных листа.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Общей научной базой исследований по адаптации сельскохозяйственной техники к условиям работы являются труды В.П. Горячкина, в частности «Теория массы и скоростей сельскохозяйственных машин и орудий», в которых отмечается, что «характер весьма разных технологических процессов для сельскохозяйственных машин и орудий требует соответствующего подбора масс и скоростей рабочих органов и притом в связи с характером двигагеля».

Последующее развитие идеи В.П. Горячкина получили в трудах И.И. Артоболевского, П.М. Василенко, В.А. Желиговского, Н.Д. Лучин-ского, А.Б. Лурье, Б.С. Свирщевского, Б.И. Турбина, В.Н. Болтинского, В.Д. Шеповалова и ряда других ученых.

Проблема адаптации сельскохозяйственной техники к усло-виям работы имеет комплексный характер, охватывающий не только технические и почвенно-климатические особенности, но также и разнообразные формы хозяйствования на земле.

В современной общей постановке адаптивное техническое обеспечение земледелия как перспективная научная концепция сформулировано в 90-х годах в трудах академика РАСХН Н.В. Краснощекова.

Отмечается при этом, что наибольшую социальную и экономическую эффективность будет иметь такая система механизации (технология и машины), которая способна перенастраиваться, подрегулироваться под следующие основные блоки и функции адаптации: приспособленность к физиологическим особенностям сельскохозяйственных объектов; адаптивность сельскохозяйственным ландшафтам и различным структурам производителей продукции, а также машиностроительной инфраструктуре, системе технического сервиса и требованиям экологии.

Практическую реализацию указанных направлений адаптации предполагается осуществить путем создания соответствующих блочно-модуль-ных технических средств. Проблема создания блочно-модульных энергетических средств обоснована в работах академика РАСХН И.П. Ксеневича.

Важное значение в трудах академика РАСХН Л.П. Кормановского отводится созданию высокопроизводительных многофункциональных машин, являющихся одним из актуальных направлений адаптации сельскохозяйственной техники к условиям работы.

Значительный вклад в дальнейшее развитие и углубление рассматриваемой актуальной научной проблемы вносят ученые ВИМа, МГАУ, ВИСХОМа и ряда других научных учреждений: В.И. Анискин, М.А. Пусты-гин, И.А. Долгов, Н.И.Кленин, Э.В.Жапнин, Э.И. Липкович, В.М. Кряжков, А.А. Зангиев, Р.Ш. Хабатов, ГШ. Бурченко, Г.М. Кутьков В.А. Русанов и др.

Важное значение для ускорения научных и практических разработок в данной области имеет создание соответствующей теоретической базы по всем основным направлениям адаптации сельскохозяйственной техники к условиям работы.

Одним из таких направлений является разработка теоретических основ оптимальной адаптации к условиям работы мобильных сельскохозяйственных агрегатов, выполняющих основной объем полевых работ при возделывании сельскохозяйственных культур.

В указанном научном направлении предусмотрено решение следующих комплексных взаимосвязанных задач:

1. Оптимальная адаптация МСХА как единого целого к природно-производственным условиям функционирования.

2. Оптимальная адаптация энергетического и технологического модулей МСХА к условиям рабочего хода.

3. Обоснование общих принципов адаптации к условиям рабочего хода технологических модулей МСХА с запаздывающими обратными связями.

4. Оптимальная адаптация конструкций основных типов рабочих органов машин (почвообрабатывающих, режущих, молотильно-сепа-рирующих) к обрабатываемым технологическим материалам.

В процессе решения указанных задач были обобщены с единых позиций и результаты исследований других авторов в рассматриваемой области.

2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Под мобильными сельскохозяйственными агрегатами (МСХА) с позиций данного исследования подразумеваются машинно-тракторные агрегаты (МТА) и самоходные машины типа зерноуборочных комбайнов, выполняющих соответствующие технологические процессы от обработки почвы до уборки урожая.

Эти агрегаты отличаются рядом специфических особенностей, которые обусловливают необходимость их выделения как самостоятельных и сложных объектов для исследования с позиций адаптации к условиям работы.

Основными из указанных особенностей являются: соблюдение в процессе движения достаточно жестких агротехнических требований к качеству выполняемого технологического процесса; наличие широкого диапазона изменения почвенно-климатичесжих и производственных факторов как в пространстве, так и во времени; большое разнообразие типов и типоразмеров самих МСХА; выполнение полевых работ в установленные оптимальные сроки; агрегатирование одного и того же мобильного источника энергии или энергомашины (трактора, самоходного шасси, мотоблока и др.) с различными типами рабочих (технологических) машин; обеспечение в процессе работы требований, обусловленных законами механики для движущихся объектов, и экономических требований по обеспечению высокой производительности при меньших затратах расходуемых ресурсов.

Удовлетворение такого большого количества разнородных требований возможно лишь на основе многокритериального системного подхода, который является основным научным принципом данного исследования с учетом положений Федерального Регистра технологий производства продукции растениеводства (система технологий, 2000 г.). Новые технологии на базе новой техники и достижений аграрной науки продолжают оставаться основой интенсификации продовольственного комплекса страны.

В соответствии с вышеизложенным принципом решение поставленных задач оптимальной адаптации МСХА к условиям работы предлагается осуществить на трех взаимосвязанных уровнях:

1. Оптимальная адаптация МСХА. как единого целого к природно-производственным условиям.

2. Оптимальная адаптация энергетического и технологического модулей МСХА к условиям рабочего хода.

3. Оптимальная адаптация конструкций отдельных рабочих органов машин к обрабатываемым технологическим материалам.

Соответствующая укрупненная структурная схема иерархии решения задач оптимальной адаптации МСХА к условиям работы представлена на рис. 2.1.

1.

Оптимальная адаптация МСХА как единого целого к природно-производственным условиям

2.

Оптимальная адаптация энергетического и технологического модулей МСХА к условиям рабочего хода_

3._4_

Оптимальная адаптация конструкций рабочих органов машин к технологическим свойствам обрабатываемых материалов

Рис.2.1 .Укрупненная схема иерархии решения задач оптимальной адаптации МСХА

На 1-м уровне рассматривается взаимодействие МСХА как единого целого с теми природно-производственными условиями, которые оказывают наибольшее влияние на его производительность и удельный расход ресурсов, используемых в процессе работы. Превалирующими на данном уровне являются экономические критерии оптимальности, обеспечивающие минимальный удельный расход используемых ресурсов при высокой производительности, в соответствии с современными требованиями рыночной экономики и производителей сельскохозяйственной продукции. Основным результатом исследования на данном этапе является определение оптимального значения соответствующего технико-экономического адаптера МСХА в совокупности с природно-производственными условиями.

2-й уровень оптимальной адаптации характеризует взаимодействие энергетического и технологического модулей МСХА с соответствующими внешними факторами в процессе рабочего хода. Агрегат при этом рассматривается как технический объект и соответствующие исследования

проводятся на основе законов механики как для отдельных, тел, так « механических систем.

3-й уровень оптимальной адаптации предусматривает обоснование эффективных конструкционных форм рабочих органов машин, повышающих качество технологического процесса и снижение энергозатрат при обработке соответствующих технологических материалов.

Предлагаемые методы решения задач каждого уровня адаптации излагаются далее отдельно.

3. ОПТИМАЛЬНАЯ АДАПТАЦИЯ МСХА К ПРИРОДНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫМ УСЛОВИЯМ

Природно-производственные условия работы МСХА характеризуются множеством факторов, влияющих на производительность, а также на расход ресурсов с учетом выбранного критерия оптимальности.

В рыночных условиях все виды расходов определяются в стоимостном выражении, поэтому в качестве основного экономического критерия оптимальной адаптации МСХА к природно-производственным условиям целесообразно выбрать минимум приведенных затрат, который в обобщенной форме имеет вид [1]

= (3.1)

ЛОШ0

где Спо~ удельные приведенные затраты в расчете на единицу объема выполненной работы; Ст0- приведенные затраты за единицу времени; ТУ0 - производительность агрегата.

Интенсивность взаимодействия МСХА с природно-производстве�